一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法技术

本发明专利技术为克服薄膜铌酸锂上可见光波段的光端面耦合中难以实现在任意位置进行光耦合的缺陷，提出一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法，其中光栅耦合器中包括由下至上依次连接的硅衬底、埋氧层、铌酸锂薄膜层，其中，铌酸锂薄膜层包括周期性光栅、第一锥形波导、第二锥形波导、第一矩形波导、第二矩形波导；第一锥形波导的最宽端与周期性光栅的一端连接，第一锥形波导的最窄端与第一矩形波导的一端连接；第二锥形波导、第二矩形波导分别设置在第一矩形波导的上方，且第二锥形波导的最窄端与第一锥形波导的最窄端重合，第二锥形波导的最窄端宽度小于第一锥形波导的最窄端宽度；第二矩形波导的一端与第二锥形波导的最宽端连接。端连接。端连接。

A thin film LiNbO3 grating coupler in visible light band and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光子器件
，更具体地，涉及一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法。

技术介绍

[0002]铌酸锂具有优异的物理特性，它具有较大的热电系数，压电系数，电光系数和光弹性系数，被广泛应用于各种集成光子器件中。传统的铌酸锂器件基于低折射率对比度波导，通常采用钛扩散技术或质子交换形成铌酸锂波导。这种器件的模式限制较弱，器件尺寸大，非线性效率低。在铌酸锂上施加高强度的电场，可以使铌酸锂晶体内电偶极子的方向发生翻转，可以制备周期极化铌酸锂。周期极化铌酸锂是一种可用于非线性波长转换的高效介质，可用于倍频，差分频率生成，总和频率生成，光学参数振荡等，且周期极化铌酸锂具有二次谐波效应，可以将近红外波段的光波长(如1550nm)转换为可见光波长(775nm)。
[0003]目前铌酸锂上的光耦合技术主要有端面耦合技术和光栅耦合技术。端面耦合技术通常利用锥型光纤或透镜聚焦光斑，与光波导端面对接实现光耦合。光栅耦合技术利用周期性光栅结构的衍射效果，实现单模光纤与芯片光耦合。已有许多针对光通信C波段的光栅耦合器的研究，但目前还没有针对可见光波段(775nm)附近的薄膜铌酸锂光栅耦合器的研究报导出现。且目前薄膜铌酸锂上可见光波段的耦合主要采用的是端面耦合技术，端面耦合的优点在于工作带宽大，且通常为偏振不相关，但端面耦合要求波导靠近芯片边缘，无法实现在任意位置进行光耦合，存在一定局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服上述现有技术所述的薄膜铌酸锂上可见光波段的光端面耦合中难以实现在任意位置进行光耦合的缺陷，提供一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，以及一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，包括由下至上依次连接的硅衬底、埋氧层、铌酸锂薄膜层，其中，所述铌酸锂薄膜层包括周期性光栅、第一锥形波导、第二锥形波导、第一矩形波导、第二矩形波导；所述第一锥形波导的最宽端与所述周期性光栅的一端连接，所述第一锥形波导的最窄端与所述第一矩形波导的一端连接；所述第二锥形波导、第二矩形波导分别设置在所述第一矩形波导的上方，且所述第二锥形波导的最窄端与所述第一锥形波导的最窄端重合，所述第二锥形波导的最窄端宽度小于所述第一锥形波导的最窄端宽度所述第二矩形波导的一端与所述第二锥形波导的最宽端连接。
[0007]作为优选方案，所述周期性光栅所在铌酸锂薄膜层的厚度为150
‑
300nm。
[0008]作为优选方案，所述周期性光栅的周期范围为450
‑
520nm，占空比范围为0.35
‑
0.45，刻蚀深度为80
‑
120nm。
[0009]作为优选方案，所述周期性光栅的周期数量为10
‑
20个。
[0010]作为优选方案，所述周期性光栅的光栅尺寸为5
‑
10μm。
[0011]作为优选方案，所述第一锥形波导的最窄端至最宽端为由1μm至10μm渐变。
[0012]作为优选方案，所述第二锥形波导的最窄端至最宽端为由1μm至10μm渐变。
[0013]本专利技术还提出一种用于制备上述任一技术方案提出的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1：在绝缘体上铌酸锂薄膜的基片上利用光刻显影技术制备出波导的掩膜并对铌酸锂薄膜进行刻蚀得到第二锥形波导和第二矩形波导；
[0015]S2：在所述步骤S1得到的结构中，利用光刻显影技术制备出周期性光栅和第一锥形波导、第一矩形波导的掩膜，并刻蚀得到周期性光栅、第一锥形波导、第一矩形波导，得到可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器。
[0016]作为优选方案，所述第一锥形波导、第二锥形波导的波导宽度采用本征模展开计算方法进行设计。
[0017]作为优选方案，所述周期性光栅的周期范围为450
‑
520nm，占空比范围为0.35
‑
0.45，刻蚀深度为80
‑
120nm。
[0018]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术通过采用减薄处理的铌酸锂薄膜层，并在铌酸锂薄膜上刻蚀光栅及双层波导结构，无需进行波导端面抛光，可以在芯片任意位置制备本实施例的光栅耦合器，实现快速便捷地光耦合，且对准容差大，适用于封装前的晶圆级别的测试。
附图说明
[0019]图1为实施例1的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的结构示意图。
[0020]图2为实施例1的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的俯视图。
[0021]图3为实施例1的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的截面图。
[0022]图4为实施例2的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的制备方法的流程图。
具体实施方式
[0023]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0024]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0025]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0026]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。
[0027]实施例1
[0028]本实施例提出一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，如图1～3所示，为本实施例的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器的结构示意图。其中A
‑
A
’
为截线。
[0029]本实施例提出的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器中，包括由下至上依次连接的硅衬底1、埋氧层2、铌酸锂薄膜层3，其中，所述铌酸锂薄膜层3包括周期性光栅301、第一锥形波导302、第二锥形波导、第一矩形波导304、第二矩形波导305；所述第一锥形波导302的最宽端与所述周期性光栅301的一端连接，所述第一锥形波导302的最窄端与所述第一矩形
波导304的一端连接；所述第二锥形波导、第二矩形波导305分别设置在所述第一矩形波导304的上方，且所述第二锥形波导的最窄端与所述第一锥形波导302的最窄端重合，第二锥形波导303的最窄端宽度小于所述第一锥形波导302的最窄端宽度，所述第二矩形波导305的一端与所述第二锥形波导的最宽端连接。
[0030]其中，铌酸锂薄膜层3经过减薄处理后其厚度为150
‑
300nm，且铌酸锂薄膜层3为双层结构，其中周期性光栅301、第一锥形波导302、第一矩形波导304组成铌酸锂薄膜层3的下层结构，第二锥形波导、第二矩形波导305组成铌酸锂薄膜层3的上层结构。
[0031]本实施例中的第一锥形波导302、第一矩形波导304和第二锥形波导、第二矩形波导305组成双层锥形波导结构，用于将光模式在纵向进行拓宽或压缩，其中第一锥形波导302、第二锥形波导的最窄端至最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于，包括由下至上依次连接的硅衬底(1)、埋氧层(2)、铌酸锂薄膜层(3)，其中，所述铌酸锂薄膜层(3)包括周期性光栅(301)、第一锥形波导(302)、第二锥形波导(303)、第一矩形波导(304)、第二矩形波导(305)；所述第一锥形波导(302)的最宽端与所述周期性光栅(301)的一端连接，所述第一锥形波导(302)的最窄端与所述第一矩形波导(304)的一端连接；所述第二锥形波导(303)、第二矩形波导(305)分别设置在所述第一矩形波导(304)的上方，且所述第二锥形波导(303)的最窄端与所述第一锥形波导(302)的最窄端重合，所述第二锥形波导(303)的最窄端宽度小于所述第一锥形波导(302)的最窄端宽度，所述第二矩形波导(305)的一端与所述第二锥形波导(303)的最宽端连接。2.根据权利要求1所述的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜层(3)的厚度为150
‑
300nm。3.根据权利要求1所述的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于，所述周期性光栅(301)的周期范围为450
‑
520nm，占空比为0.35
‑
0.45，刻蚀深度为80
‑
120nm。4.根据权利要求3所述的可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于，所述周期性光栅(301)的周期数量为10
‑
20个。...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡鑫伦，林华婷，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：